Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
55 
molecules (DNA, proteins, metabolites, etc.). Long term effects are to be tested by appropriate repeated-dose 
studies. 
90-day rodent feeding study is being widely regarded as the single most appropriate test for the detection of a 
wide range of toxicological endpoints, when suitably conducted (EFSA 2008). In case of synthetic plants, the 
realisation of long-term oral toxicity studies can characterise the dose-response relationship, predict chronic 
toxicity effects at human exposure levels, and test hypotheses regarding the mode of action of synthetic plants 
and  derived  material.  Long-term  toxicity  studies  in  animals  can  reliably  identify  no-observed-adverse-effect 
levels  (NOAEL)  used  for  establishing  safety  criteria  for  life-long  human  exposure  (OECD  2009).  Additional 
toxicological data can provide information for studying the potential of the artificial genomic material or newly 
expressed  proteins  derived  from  synthetic  plants  to  cause  carcinogenic,  developmental,  reproductive, 
hormonal, or neural dysfunctions in humans, and also on the toxicokinetics of the synthetic organic material. 
5.3
 
Additional  aspects  in  the  risk  assessment  of  plants  created  by  synthetic 
genomics 
Four  different  subfields/techniques  in  the  area  of  synthetic  genomic  are  mentioned  in  scientific  literature 
(Schmidt 2010a): 

 
DNA based bio-circuits (design of genetic circuits and inserting them into living cells) 

 
Minimal genome (synthesis of genomes and transplanting them into cells) 

 
Protocells (production of cellular containers and insertion of metabolic components) 

 
Chemical synthetic biology (alternative chemical systems with similar biological functions) 
Not  all  areas  are  equally  important  for  the  development  of  synthetic  higher  plants.  Bio-circuits,  minimal 
genome and protocells are only relevant for single  cell approaches. However, it is likely that knowledge and 
expertise gained from these technologies may also be useful for the designing of synthetic plants. 
For the risk assessment of DNA based bio-circuits it is not sufficient to study how the genetic element behaves 
in  a  new  environment,  but  to  assess  any  interactions  of  the  numerous  genetic  parts  that  were  inserted.  A 
comparable  counterpart  for  assessing  a  full  behavioural  range  will  not  be  available.  Also,  with  minimal 
genomes and protocells conventional comparators are not available, although the limited viability of minimal 
genomes in the environment adds to the safety of such organisms. 
Chemical  synthetic  biology  approaches  could  be  used  for  the  production  of  synthetic  higher  plants.  This 
approach  includes  the  chemical  modification  of  DNA,  polymerases,  amino  acids  and  proteins,  but  also  the 
identification of amino acid sequences that have a stable architecture but do not occur in nature. There are 
also so-called "never-born-proteins" that could provide a lot of useful novel functions for molecular biology. 
Other  areas  of  work  are  the  changing  of  translation  mechanisms  or  the  use  of  synthetic  nucleic  acids  (e.g. 
replacing of base pairs, modifying sugar molecules) not occurring in nature. 
The main problems in relation to synthetic plants produced by chemical synthetic biology approaches are the 
high  levels  of  uncertainties  with  respect  to  unnatural  (chemically  synthesised)  DNA  sequences,  especially 
synthetic  nuclein  base  analogs.  Unexplainable  effects  were  reported  with  respect  to  a  synthetic  poliovirus 
genome by Cello et al. (2002) mentioning that the silent mutations introduced into the virus genome had an 
influence on pathogenesis by hitherto unknown mechanisms. Similar and additional unknown mechanisms are 
to be expected in synthetic plants, especially when synthetic base analogs are utilised. 
In  the  light  of  recent  developments  in  synthetic  biology  community  a  framework  for  risk  research  that 
addresses four public safety issues has been proposed by the Woodrow Wilson Synthetic Biology Project: 

---

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
56 

 
How might synthetic organisms interact with natural ones? 

 
How well will they survive in receiving environments? 

 
How might they evolve and adapt to fill new ecological niches? 

 
What is the potential for gene transfer into unmodified organisms? 
The  synthetic  biology  community  was  invited  to  address  these  questions  through  designing,  building,  and 
testing new synthetic systems. The knowledge gained from the tests will help to close the existing knowledge 
gaps  and  contribute  to  the  understanding  of  the  biology  behind  synthetic  higher  plants  and  strengthen  risk 
assessment processes. 
Adverse effects can result from unintended exposure to toxins or pathogens originating from synthetic plants. 
Infectious diseases can be considered resulting from accidental transmission of disease agents manipulated for 
the development of synthetic organisms. If the reproduction of such synthetic organisms is not limited, risks of 
transmission can increase and may spread to wider human community or the environment (Colussi 2013). A 
proper evaluation of the reproduction system of a synthetic plant therefore is a very important issue for the 
risk assessment. 
Additionally,  the  careless  use  and  implementation  of  pathogenic  DNA  sequences  has  to  be  avoided. 
Requirements  need  to  be  established  for  the  performance  of  routine  screenings  for  pathogenicity  before 
development and assembling of synthetic DNA constructs (Hatch 2010). 
The commercialisation of a synthetic higher plant poses certain risks, one of which is the risk of increasing the 
probability of development of exotic plant species. In this context, it is pointed out that the accidental release 
of synthetic organisms is difficult to control, and also that hazards occur when these organisms replicate in the 
environment (Colussi 2013). 
Another  risk  is  that  a  genetic  exchange  between  synthetic  organisms  (biological  entities)  and  natural 
organisms may occur. Such an exchange, called "genome contamination", could affect human health, and also 
biological ecosystems influencing mutation and evolution. 
It  is  further  important  to  note  that  the  consumption  of  synthetic  proteins  in  food  can  lead  to  allergies  or 
negative changes in nutritional values. Such synthetic proteins may even consist of non-canonical amino acids 
altering the physical and chemical properties as compared to natural proteins (Johnson et al. 2010). It is also 
unclear how to adequately test for the allergenic potential of synthetic proteins, as the current allergological 
assessment considers animal tests in most of the cases not relevant because of the lack of validated tools (e.g. 
animal  models).  Especially,  animal  models  cannot  fully  reproduce  the  diversity  and  variability  of  the  IgE 
response in heterogeneous populations of atopic humans or the conditions of sensitisation that occur in the 
real  life.  Also,  current  animal  models  have  not  enough  sensitivity  and  specificity  in  order  to  guarantee  the 
absence of false negative and false positive results (EFSA 2010b). 
Issues pertaining to biosecurity (the protection, control of, and accountability for high-consequence biological 
agents and toxins; NSABB (2010)) also need to be addressed. The dilemma arises when scientific knowledge 
could be used in both directions, beneficial and harmful (e.g. the misuse of a synthetic organisms); and when 
the  risk  of  harmful  use  is  that  high  that  it  is  no  longer  clear  whether  that  knowledge  is  to  be  pursued  or 
disseminated  (Douglas  and  Savulescu  2010;  Jain  et  al.  2012)  or  not.  Such  bioethical  issues  need  also  be 
considered in the context of synthetic biology based applications. 
In conclusion, it is difficult to assess the risk and impact associated with the use and application of synthetic 
biology  technology,  as  research  is  still  in  an  early  phase.  However,  there  are  many  points  that  must  be 
considered before making appropriate risk and safety analyses. For instance, risk assessment methods have to 

---